Structure of Ceramic [PDF]

Citation preview

Nama : Qoimatul Mustaghfiroh NPM : 1406529380 Absen : 8 bagian Al2O3 1. Kristal struktur Al2O3 Struktur kristal keramik lebih rumit dibandingkan dengan metal yang terdiri dari 2 atau lebih atom. Susunan kristal keramik terdiri dari metal (kation) dan non metal (anion). Ikatan keramik adalah ionic dan beberapa memiliki ikatan kovalen. Pada kasus Al2O3, Al berlaku sebagai kation, bermuatan positif, dan ukuranya lebih kecil daripada anion dimana pada kasus ini O sebagai anion dan bermuatan negative. Struktur kristal ini ditentukan dengan karakteristik jumlah dari kation dan anion harus netral, dalam Al2O3 (alumina) setiap 2 Al3+ di seimbangkan dengan 3 O2- anion sehingga menjadi netral. Selain itu juga ditentukan oleh ukuran ion. Banyak macam bentuk Al2O3 (𝛼, 𝜒, 𝜂, 𝛿, 𝜃, 𝛾, 𝜌). Sebagai contoh 𝛼-Al2O3, adalah bentuk senyawa paling stabil yang dibentuk oleh alumunium dan oksigen. Keadaan selain 𝛼-Al2O3 adalah keadaan metastabil dari Al2O3. Pada keramik Al2O3 memiliki kristal struktur bentuk hexsagonal close packed (HCP) dan nama struktur Corundum dengan rumus kimia A2X3 dengan jumlah ion dalam satu unit sel adalah 12 Al3++ 18 O2 - = 30. Crytalline Alumunium Structure Secara geometri susunan struktur Al2O3 (binary compound) membentuk dua tipe yaitu heksagonal dan octahedral. Hexagonal site berada pada ujung atom dalam sel sementara octahedral site berada diantara dua layer susunan vertical. Alumina memiliki bilangan koordinasi 6 dan 4. Alumina kation mengisi 2/3 octahedral site dan oksigen anion berada pada 1/3 octahedral site. Keberadaan oksigen dalam octahedral site dapat meningkatkan kekuatan ikatan sehingga dapat menaikkan karakteristik properties alumina.



(a) Struktur kristal tampak dari atas



(b) Struktur 𝜃-alumina



Liquid Alumunium Structure Meskipun saintis telah mengetahui struktur crystalline alumina, struktur liquid alumina baru diketahui baru – baru ini di tahun 2001. Berdasarkan penelitian, liquid alumina setiap alumunium memiliki 4 oxygen atom tetangga dan setiap oksigen hanya memiliki 3 alumunium atom. Hal ini membuat struktur liquid alumina sangat berbeda dengan crystalline alumina, distribusi konfigurasi atom yang berbeda dalam atom liquid menurunkan 30% densitasnya (dari 3.8 g/cm3 menjadi 2.8 g/cm3 ). Ketika alumina meleleh terdapat transisi dari octahedral alumunium pada solid state menjadi tetrahedral koordiansi dalam liquid meskipun sisa – sisa koordinasi crystalline octahedral masih ada sekitar 24%. Pengurangan koordinasi atom O pada Al dan Al pada O akan membuat densitas semakin rendah. Penemuan struktur alumina dalam keadaan meleleh (liquid) membantu para saintis untuk pengembangan keramik dan glass. Tipe 4-fold (a) dan 5-fold (b) koordinasi alumunium pada liquid alumunina



2. Mechanical properties Al2O3 Ceramic memiliki sifat brittle sehingga konsentrai kekuatan brittle fracture menjadi hal penting dalam pada mekanikal propertis dari keramik. Ketahanan fracture dari keramik dapat ditingkatkan dengan compressive stress pada permukaan. Compressive stress ini besarnya 10 kali dari tensile strength sehingga dapat membuat struktur keramik lebih bagus saat ada tekanan. Secara umum mechanical properties dari alumina dapat did eskripsikan seperti table di bawah ini : Mechanical properties material Al2O3 Flexural strength 275 – 700 MPa Modulus Elasticity 393 GPa Vicker Hardness 19.0 – 26.0 GPa Modulus Young 390 GPa Poisson ratio 0.2 – 0.25 K pada ambient temperatur 2.0 - 6.0 MPa.𝑚1/2 Expansion Coefficient 7.2 – 8.8 Bulk Density 3.96 g/cm3 Tensile strength 220 MPa Fracture toughness 4-5 MPa.m1/2 Porosity 0 Pada alumina kondisi paling stabil adalah 𝛼-Al2O3 yang dapat diperoleh melalui heat treatment pada suhu tinggi.



Alumina terdapat dalam berbagai bentuk : monohydrate AlOOH sebagai boehmite (𝛾-monohydrat) dan diaspore (𝛼-monohydrat), Al(OH)3 sebagai gibbsite (𝛾-trihidrat) dan diaspore (𝛼-trihydrate). Pada temperatur tinggi pada akhirnya akan mencapai fase 𝛼-Al2O3 yang merupakan kondisi oaling stabil dan paling baik. Titik lelehnya mencapai 2040℃ dan porositasnya pada temperature ruangan kurang dari 6%. Alumina dapat digolongkan dalam 2 grup yang terdiri dari berbagai grade berdasarkan proses pembuatannya. Grup pertama adalah high alumina yang setidaknya terdiri dari 99% Al2O3 dan yang kedua terdiri dari 80% - 99% Al2O3. Setiap grup dapat dibagi lagi menjadi beberapa grade berdasarkan tipe, kemurnian dan intended service yang akan berpoengaruh pada mekanikal propertisnya. Grup pertama secara umum memiliki karakteristik densitas tinggi (>3.75 g/cm3), temperatu sintering tinggi (1500 - 1900℃) dan memiliki mekanik performance yang baik.



Grup pertama (≥99% Al2O3 )



Grup kedua (80% - 99% Al2O3) Elastisitas material Al2O3 pada berbagai grade A1-A9 ditampilkan pada table di bawah. Elastisitas ini biasanya digunakan untuk menghitung thermoelastic atau untuk mengetahui respon material dalam proses manucfacturing.



Young modulus (E), shear modulus (G), dan poisson ratio (v) merupakan fungsi temperature yang dapat di expresikan dengan rumus berikut



Dapat dilihat dari table diatas bahwa kekuatan, toughness, dan hardness akan meningkat seiring dengan bertambahnya Al2O3. Lebar hamburan dari keramik alumina dikarakterisasikan dengan Weibull modulus. Kekuatan keramik bergantung pada stress volume. Kekuatan alumina lebih tinggi pada pemberian tekanan daripada pemberian tension. Fracture toughness material alumina juga bergantung pada temperature, tetpai kekuatannya secara umum diukur pada temperature ruangan. Seperti material yang lain untuk penggunaaan jangka waktu yang lama, keramik alumina juga memiliki niali mekanik fatigue. .



Kekuatan fatigue dari 99.5% alumina pada temperature ruang Thermal shock resistance merupakan (R) merupakan perubahan maksimum temperaturyang dapat ditahan oleh material tanpa failure.



Dapat diketahui dari grafik tersebut bahwa alumina dengan kemurnian >99,0% memiliki ketahanan terhadap perubahan temperature.



3. Sifat Listrik Al2O3 Sifat listrik dari material alumina dapat dilihat dari tegangan breakdown dielektrik, loss tangent, volumetric electrical resistivity, dan emissivity alumina pada temperature ruangan. Volumetric resistivity (R) dapat di ekspresikan sebagai fungsi temperature :



Dimana R adalah temperature ruangan resistivuty pada table di bawah. Resistivity alumina bergantung pada level impurity dan porosity. Tegangan breakdown juga bergantung pada temperature tetapi juga bergantung pada ketebalan. Menurunnya tegangan breakdown dapat menaikkan temperature



Beberapa sifat elektrik alumina juga di deskripsikan seperti dibawah ini : Properties Dielectric strength Dielectric Contant Volume resistivity Volume resistivity Volume resistivity Loss factor Dissipation factor



Kondisi 2.5 mm tk 1 MHz 20oC 300 oC 1000 oC 1 MHz 1 MHz



Satuan Ac-kv/mm Ohm-cm Ohm-cm Ohm-cm -



Nilai 10 9.7 >1014 1010 106 0.009 0.0001



4. Sifat Optis Al2O3 Sifat optis suatu material pada dasarnya dapat dilihat dari kemampuan material untuk transmisi, absorbs, dan refleksi ketika ada cahaya yang masuk. Peristiwa pembiasan adalah peristiwa ketika cahaya melalui dua material yang berbeda indeks biasnya. Indeks bias menjadi acuan untuk menentukan sifat optis material. Al2O3 memiliki indeks bias (n) 1.76. Gambar disamping merupakan ilustrasi ketika cahaya dtaang pada material alumina yang akan di refleksi kan, di biaskan, dan transmisi. Tidak semua cahaya yang dating di biaskan tetapi ada yang di refleksikan oleh material. Kemampuan merfelksikan cahaya dapat diperoleh melalui persamaan di bawah yang diketahui sebagai Fressnel formula :



Sebagian besar material ceramic dan glass termasuk Al2O3 memiliki 𝜅